Laseri seminarski

UNIVERZITET U TUZLI

MAŠINSKI FAKULTET

SEMINARSKI RAD

TEMA: Zavarivanje i sječenje laserom sa pregledom tehničke tehničke primjene

Student: Lejla Mujezinović Broj indeksa: II-475/12

Smjer: Proizvodno mašinstvo Datum: 26.11.2014.god.

UVOD

Laser (eng. Light Amplification by Stimulated Emission za optičku napravu koja emitira koherentni emitira  koherentni snop fotona. snop fotona.

of

Radiation) naziv

je

Prvi laser napravljen je 1960. godine. Laseri, zbog kvalitete svjetla, koje daju danas primjenjuju u gotovo svim ljudskim djelatnostima. Od tada do danas našao je veliku primjenu u:    



industriji- obrada papira, tekstila, metala, vojnoj tehnici- nišanjenje i obilježavanje ciljeva, holografskim tehnikama- za dobijanje prostorne slke, informacijskoj tehnologiji- prenos signalam CD-uređaji, uređaji za očitavanje bar kodova u prodavnicama, za upravljanje- robotima,...

Laseri s čvrstom jezgrom (posebno Nd:YAG) se koriste za rezanje, bušenje i varenje.

Laserska zraka se proizvodi fenomenom stimulirane fenomenom  stimulirane emisije.  emisije.  Kao prvi uvjet emisije fotona je Bohrov je  Bohrov uvjet:

laserski medij mora sadržavati energijske razine čija energija (razlika energija) odgovara energiji otona. Drugi uvjet je da većina atoma (ili molekula) bude u pobuđenom stanju. Moramo emitiranih f otona. imati na umu da se u laserskom mediju mogu događati različiti procesi interakcije elektromagnetskog zračenja i materije: najviše dolaze do izražaja apsorpcija i spontana emisija zračenja.  zračenja.  Ukoliko dovedemo dio atoma (ili molekula) laserskog medija u pobuđeno stanje, oni će emitirati fotone spontanom emisijom. Ti fotoni se dalje mogu apsorbirati na nepobuđenim atomima, ili izazvati stimuliranu emisiju na preostalim pobuđenim atomima. Laserska zraka se može proizvesti jedino ako stimulirana emisija dominira nad apsorpcijom i spontanom emisijom zračenja. To se postiže inverzijom naseljenosti atoma u laserskom mediju: broj a toma u pobuđenom stanju mora biti veći od broja atoma u osnovnom stanju.Laseri s čvrstom jezgrom imaju jezgru, napravljenu od kristala od kristala ili amorfne ili amorfne tvari, često u obliku štapića. Ogledala mogu biti tanki slojevi srebra napareni na krajeve štapića. Na taj način štapić čini lasersku šupljinu. Pobuđivanje atoma od kojeg se s astoji jezgra se obično provodi nekim intenzivnim izvorom svjetla. U tu svrhu se često koriste ksenonske koriste ksenonske bljeskalice, a u novije vrijeme LED vrijeme LED diode, ili poluvodički laseri, čime se povećava energetska učinkovitost lasera. Prvi laser koji je davao vidljivu svjetlost je bio rubinski laser. Rubinski laser koristi štapić od rubina kao lasersku jezgru. Rubinski laser daje crvenu svjetlost valne 694.3 nm.  Danas se često koristi  Nd:YAG laser, koji se sastoji od štapića  itrijdužine 694.3 nm alumijevog granata alumijevog granata (YAG), dopiranog atomima neodimija. atomima  neodimija. Nd:YAG  Nd:YAG daje infracrveno zračenje.

1

YAG laser čvrstog stanja Emituje elektromagnetne talase u infracrvenoj oblasti od 0,8 do 4000 µm što odgovara talasnoj dužini koju lahko apsorbuje metal, ali koja se također može fokusirati pomoću optičkog sočiva. Može osloboditi snagu do 500 W. Toplota nastala u unutrašnjosti bljeskavice se odvodi vodenim hlađenjem tako da cijeli uređaj ima stepen iskorištenja od samo 4 %. On omogućuje kontinualno sječenje i zavarivanje preklopnom tehnikom.

Slika 1: Nd-Yag laser sa otvorenim kućištem, te se vidi zeleno svjetlo valne dužine 532nm

Ovaj uređaj mora da ima izlaz sa trajanjem pulziranja od 1,6 ms i frekvencijom od 1s dajući šav prečnika 0,2-1 mm. Iako on omogućuje kontinualno sječenje i zavarivanje preklopnom tehnikom, l aser čvrstog stanja se najčešće primjenjuje za operacije bušenja rupa, podešavanja električnih otpornika i zavarivanje malih komponenata i mikroelektronskih kola.

2

LASERSKO ZAVARIVANJE

Zavarivanje laserskim snopom ili lasersko zavarivanje primjenjuje se uglavnom u elektronici ( zavarivanje televizijskih cijevi), medicini (srčani stimulator ili engl. pacemaker), finoj mehanici, automobilskoj industriji (krovovi, vrata, podovi) i drugdje. Kod laserskog zavarivanja laserski zrak se kao nosilac toplotne energije fokusira radni

predmet i izaziva topljenje do određene dubine uz minimalno isparavanje površine. Potrebno je dostići temperature iznad tačke topljenja, ali ne do tačke ključanja. Za zavarivanje su potrebne manje snage i duže vrijeme djelovanja.

Slika 2 : Šema zavara

Tipičan laserski zavar prikazan je na slici 2. Fokusirani laserski zrak na površini radnog predmeta izaziva stvaranje šupljine ispunjene isparenjima do dubine punog radnog predmeta. Iznad dna šupljine sa isparenjima je centar zavara. U toku zavarivanja centar se pomjera po radnom predmetu izazivajući tok rastopljenog materijalaoko centra i očcršćavanje na strani povlačenja stvarajući zavar. Glavna toplota se transformiše na centru unutar ukupnog poprečnog presjeka, a ne samo na površini obratka kao što je slučaj kod TIG zavarivanja. Zbog toga je zavar uzak i homogen, a krivljenje i zona topljenja minimalni. Uska z ona uticaja toplote je višestruko korisna. Minimalna masa 3

materijala pretrpjela je strukturne promjene nakon zavarivanja. Moguće je zavariti minijaturne komade, kao i dijelove čiji pojedini prateći elementi ne smiju biti zagrijani; na primjer, za varivanje hermetičkih kučišta za električne i elektronske komponenete. Također tehnika laserkog zavarivanja odlikuje se velikom brzinom. Brzina zavarivanja u funkciji je materijala i debljine obratka . Cilj je da se dobiju homogeni zavari željene dubine penetracije. Ona zavisi od snage zračenja, što je snaga veća i penetracija će biti veća. Za svaku vrstu materijala mijenjaće se nivo snage.

Slika 3: Penetracija u funkciji snage za razne brzine djelovanja

4

Tehnika zavarivanja snopom velike gustine energije

Jedan od najvećih naučnih i tehničkih interesa u odnosu na ostale postupke zavarivanja, nastao je pronalaženjem zavarivanja snopom energije velike gustine, elekronskim snopom (ES) i laseskim zracima (LS). U osnovne karakteristike izvora toplote stvorenog snopom velike gustine energije ubrajaju se: -

energija velike gustine u tački udara snopa , visoka tačnost kontrole kretanja izvora i tačnost kontrole promjene snage , visoka cijena po jedinici snage (1W).

Zahvaljujući visokoenergetskim snopovima postiže se visoka koncentracija energije na veoma maloj površini, pa se dobija energija gustine 1000 -10000 puta veća od konvencionalnih izvora toplote. Kod zavarivanja, na primjer, takav snop trenutno dovodi do isparavanja metala u tački udara i stvara kapila re koji se pune parama metala tipa plazme. Ravnoteža u kapilari dobija se efektom isparavanja materijala, pritiskom para, površinskim naponom tečnosti koja kvasi zidove kapilare i masom te tečnosti. Stoga se toplotna energija snopa pri zavarivanju prenosi na radni komad po njegovoj debljini, za razliku od drugih (konvencionalnih) postupaka u kojima se toplota prenosi

kondukcijiom od površine komada (slika 4).

5

Pomjeranjem snopa tečan metal kvasi zid kapilare, razliva se i očvršćava. Ako se kapilara pomjera duž spoja očvršćavanjem kupke oblikuje se zavaren spoj dva dijela. Značajan je uticaj interakcije snop-metal na geometriju zavara i njegove metalurške karakteristike. Inerakcijom snop-metal stvaraju se razne sub atomske čestice ( elektroni, pozitivni j oni i negativni joni, itd). Analizom položaja udjela ovih čestica može se kontrolisati položaj tačke udara, optimizirati fokusna tačka, a time i kvalitet šava. Glavni parametar snopa je njegovo zračenje u tački udara izraženo u W/ , od čije stabilnosti zavisi kvalitet šava. Karakteristika laserskog postupka je veoma uska zona topljenja i paralelnost bočnih stranica kao posljedica prenosa toplote od snopa po visini zidova kapilara. Zbog toga je unos toplote mnogo manji nego kod konvencionalnih postupaka zavarivanja , naročito kod većih debljina radno g komada. Takođe je i deformacija vrlo mala ( pogotovu kod presjeka > 50 mm), pa lasersko zavarivanje u industrijskim uslovima ne zahtijeva mašinsku obradu, a često ni završno oblikovanje . Na slici 5 imamo kontinualni  laser.

Kod kontinualnog  lasera, fotoni iz optičkog rezonatora prolaze kroz gasnu smješu (, He,  ) konstantnog pritiska i temperature. Molekuli  se pobuđuju električnim

pražnjenjem jednosmjerne ili naizmjenične struje. Posle relakssacije emituju fotone koji su stimulacijom u fazi i istoj talasnoj dužini (koherencija). To je LASER odnosno pojačavanje svjetlosti emisijom stimulisanog zračenja. To se ostvaruje pomoću niza ogledala lociranih u optičkom rezonatoru. 6

Prenos energije od centra stvaranja snopa do radnog predmeta postiže se velikom brzinom. Taj prenos praćen je proširenjem snopa usljed njegove prirodne divergencije ili kod elekronskog snopa zbog negativnih elek trona. Optičkom refleksijom lase rkog snopa modifikuje se pravac snopa uz pomoć ogledala obrađenim pogodnim nač inom sa nanetim prevlakama radi sprečavanja apsorpcije ogledala obrađenim pogodnim načinom sa nanijetim prevlakama radi sprečavanja apsorpcije energije svjetlosnog snopa. Laserski snop se može prenijeti na znatnu daljinu, naročito u suhoj i čistoj atmosferi.Prašina , tragovi vodene pare apsorbuju dio svjetlosne energije i znatno remete uslove rada.

Kod laserskog snopa, fizički fenomeni su u vezi sa kinematikom gasne smješe, molekularnom pobudom, pojačanjem optičkog signala i oslobađanjem energije iz optičkog rezonatora .  laser ustvari se formira iz smješe ( , He, ) sa molarnim dijelom koji se mijenja od (1...1,8) do (1,7...30), respektivno. Kinematika  molekula pokazuje da najintenzivniji prenos energije odgovara svjetlosnom snopu lociranom oko talasne dužine od 10,6 µm. Molarni di o frakcije izražava proncentualnu koncentraciju

odgovarajuće materije u smješi. Osbinu laserskog rezinatora karakterišu dva para metra: -koeficijent µm,

pojačanja koji predstavlja relativno povećanje intenziteta signala od 10,6

-parametar zasićenja koji pokazuje smanjenje frekvencije gornjeg nivoa laserskog snopa u toku prenosa.

Električno pražnjenje u gasnoj maši ni nastaje jonizacijom pri pobuđivanju molekula  i  . Pražnjenjem nastaju elektroni male nergije (~ 1eV) koja odgovara luminiscentnom pražnjenju, inače bi pojava luka potpuno unisštila fenomen lasera. Parametar E/N (električno polje prema gustini neutralnih molekula) koji krakteriše efikasnost pražnjenja treba da bude u granicama   ...  V/   radi osiguranja dobrih osobina lasera. Vrijednost E/N je veoma kr itična i određuje se teor ijskom i eksperimentalnom analizom.

Delikatan problem, često zanemaren je i optička homogenost aktivne zone.   Kvalitet ekstrahovane snage iz rezonatora je najkritičniji aspekat lasera od nekoliko kW. Aktivna zona se ponaša kao sočivo zbog visoke energije sa aberacijom i distorzijom, zbog nehomogenosti gustine energije u smješi, koja je prouzrokovana promjenama temperature duž ose i u poprečnom presjeku, kao i zbog poremeća ja u protoku gasa. Razlika između teorijske i stvarne snage laserskog snopa je 20- 30 %. Osnova za konačan kvalitet šava jeste kontrola snage snopa   koja treba da se odražava konstantnom duž produžne ose zavarenog spoja. Kontrola elektronskog snopa se postiže povećanjem napona i struje snopa konvencionalnim sredstvima. Radi regulacije snage snopa potrebna je kontrola električnog pražnjenja laserskog s nopa u rezonatoru. 7

Kontrola laserskog snopa niskog nivoa snage često ograničene na 10-20% maksimalne snage je težak problem. Mala snaga ektričnog pražnjenja nije dovoljna za  oduhavanje pa i efekat lasera prestaje. Okolina oko snopa treba dobro da se kont roliše. Kod laserskog snopa bitna je dobra zaštita rastopljenog metala, protok gasa, a uslovi refleksije plazme moraju se kontrolisati zbog interakcije između snopa i radnog komada. Fokusna tačka u laserskom snopu je definisana geometrijskim karakteristika ma sočiva i ogledala. Zato je nepromjenjiva tačka za datu konfiguraciju. Oscilacije snopa su vrlo korisne za dobar kvalitet spojeva kod zavarivanja velikih presjeka. Kod laserskog snopa koriste se

oscilirajuća ogledala upravljana električnim signalima.

PRIMJENA LASERSKOG ZAVARIVANJA

više neuspješnog početka u 1973. g odini zavarivanje laserskim snopom veće snage stagnira sve do 1977...1978, a potom doživljava visok nivo ekspanzije. Kod zavarivanja laserskim snopom s nage od više kW, razv ijeno je nekoliko tehnologija koje su iskoristile prednosti zbog evolucije u optici i poboljšavanju kontrole. Poslije manje ili

U cilju da se zadovolje narasle industrijske potrebe, osobine izvora lasera se stalno

poboljšavaju. Oko 1983. godine postojalo je približno oko 1000 laserskih uređaja snage od više kW, a 1/3 od njih se koristila u zavarivanju. Snop snage 1 -10 kW zadovoljava većinu industrijskih zahtijeva, a u autoindustriji najviše se primjenjuju laseri snage do 5 kW. Zavarivanje laserskim snopom zasniva se na iskustvu i prednosti koje je stečeno pri upotrebi elektronskog snopa pogotovu što je geometrija spoja i priprema dijelova slična za oba postupka.

Što se primjera primjene tiče, može se reći, da su danas u mnogim

oblastima industrije, uveliko upotrebljavaju visokoenergetski snopovi, prije svega, u automobilskoj industriji,

nuklearnoj tehnici, energetici, elektrotehnici, proizvodnji električnih uređaja za domaćinstvo itd. Ovi postupci zavarivanja su uvedeni: -

kod spajanja skupih komponenata (mlaznih motora)

kod spajanja jeftinih komponenata(zupčanika) u masovnoj proizvodnji automobila i električnih uređaja za domaćinstvo u proizvodnji unutrašnjih jezgara nuklearnih reaktora za zavarivanje dimenzijski malih dijelova ( regulatora pritisaka), tankih

komponenata (testera) i dijelova većih debljina ( sudovi pod pritiskom), zatim komponenata trupa aviona i sl. -

u zavarivanju obinih materijala ( konstrukcioni čelici) te lakših metala (titana). 8

Najveći dio opreme za zavarivanje laserom radi na taj način tako što se dijelovi dopremaju na jednu ili više fiksnih stanica (karusel) linijskim transportom ili glavom za fokusiranje do položaja zavarivanja (npr. sučeono zavarivanje kontinualne trake). Naravno najbrojnija primjena laserskog snopa je u masovnoj proizvodnji. Dijelovi na okretnom stolu se dovode do laserskog snopa ili se snop postepeno dovodi do fiksnih stanica ( 2, 3 ili nekoliko) slika 6.

Slika6: Linija sa dva laserska izvora za zavarivanje reznih modela zupčanika 1-unošenje komponenata, 2 -manipulator za šaržiranje i vađenje 3- položaj zavarivanja

Najčešća dva laserska izvora snabdijevaju 4-6 radnih stanica u vremenskim razdobljima. U ovoj oblasti primjereno je zavarivanje laserom od više kW. Treba pomenuti i spektakularnu primjenu lasera pri proizvodnji tunelskih nosača od lakih legura izrađenih od tankih limova kojii se koriste za razvod električnih kablova. U ovom slučaju zavarivanje je kontinualno laserom snage 1 kW i brzinom 1000mm/min, radi osiguranja krutosti za vrijeme manipulisanja. Kvalitet spoja ovdje ne mora da bude visok, ali je pogodnost za ekspoloataciju u dobroj mjeri zadovoljena. Pimjera radi 1984. godine u SAD-u je korišteno 12 ovakvih proizvodnih linija u najvećoj mjeri zbog visoke produktivnosti i zadovoljavajućeg kvaliteta. 9

U aeronautici i i straživanju sv emira

oprema za laserski snop koristi se u znatno skromnijem obimu nego oprema za elektronski snop. Kada uporedimo osobine i ekonomičnost visokoenergetskih snopova, možemo ustanoviti da laserski snop   (LS) u

odnosu na elektronski snop (ES) ima sljedeće prednosti: -laserskom

snopu nije potreban vakuum, i on može djelovati na velike presjeke bez većeg slabljenja, -laserski snop ne remete „parazitska“ magnetna polja , -laseski snop može da postavljenih ogledala,

se dovede do teško pristupačnih zona uz pomoć pogodno

- laserski snop ne proizvodi „X“ zrake,

što jeste slučaj kod elektronskog snopa ,

- laserski snop se može koristiti u vremenskim intervalima za rad na više radnih mjesta.

10

Nedostatci

laserskog snopa u odnosu na elektronski snop su sljedeći:

-znatno manji stepen iskorištenja energije elektronski snop gdje je taj stepen 90-98%,

laserskog snopa 10 -20%

u odnosu na

-kod laserskog snopa značajan je izdatak vezan za potrošnju gasa, struje i v ode , -oscilacije laserskog snopa usljed mehaničkih poremećaja , -teška je promjena fokusnog rastojanja , -potrebna je posebna snopa,

zaštita osoblja od direktnog ili indirektnog zračenja laserskog

-veliki investicioni troškovi već kod snaga od 5 kW, -mali broj podataka iz industrije o pouzdanosti laserske tehnike,

Što se tiče tehničkih osobina (LS) i (ES) sa slike 7 koja daje vezu snage snopa i dubine zavarivanja na nehrđajućem čeliku pri brzini 1 m/min može se zaključiti sljedeće: -za slične uslove odnosno sličnu snagu i fokusnu tačku LS i ES ima ju gotovo iste dubine zavarivanja, -kod debljina 4-5 mm dalji porast zavarivanja je manji za LS nego za ES.

Razlog je dejstvo plazme u tački udara koja sprečava unos energije LS u materijal. Kada se dejsvo plazme potpuno neutrališe pri zavarivanju LS u vakuumu postižu se najbolji rezultati osobina lasera. Najspektakularnija karakteristika LS je fleksibilnost u rukovanju tj. opsluživanje više radnih stanica lociranih na raznim rastojanjima.

Slika 8. prikazuje primjer jednog sistema instaliranog u TSUKUBA (Japan).

11

1-komad, 2-glava za rezanje laserom, 3 detektor (LS), 4-  laser velike snage, 5-distributer laserskog snopa, 6-prenos (LS), 7-glava za zavarivanje, 8-laserska glava za toplotnu obradu, 9-sistem YAG lasera srednje snage, 10-gotovi proizvodi, 11-sistem za upravljanje proizvodnjom

Posmatrajući ekonomske apekte uvođenja lasera, moraju se uzeti u obzir sljedeća razmatranja: -Šta se dobija sa novom tehnikom? -Da li je cijena po komadu niža? - Da li se za istu cijenu po k omadu

dobijaju proizvodi boljih tehničkih karakteristika

(duži vijek trajanja)? -Da li su kod iste cijene po komadu bolji radni uslovi?

12

Analiziranjem različitih aspekata neki spojevi moraju izvesti samo

neke industrijske primjene može se zaključiti da se ES ili LS (npr. zavarivanje u nepristupačnim zonama gdje se može prići samo reflektovanim LS uz pomoć pogodnih ogledala ili zavarivanje kompleksnih dijelova uz malu deformaciju). Ovdje cijena ne odlučuje o izboru postupka zavarivanja. Cijenu po komadu je inače u industrijskim uslovima teško analizirati jer je mnogi proizvođači smatraju poslovnom tajnom. Faktori koji utiču na cijenu dijele se na dvije grupe: -

one koji su opšti ili predvidivi specifične, individualne za svakog proizvođača

U tabeli 1. Dat je pregled energetskog snopa.

investicionih i operativnih troškova ES i LS po kW snage

Tabela 1: Faktori koji se razmatraju pri određivanju troškova za LS i ES 

13

Date cijene predstvaljaju srednje vrijednosti u 1985. Godini, koje su dobijene na osnovu

obavještenja od raznih korisnika.

U vezi sa podacima iz tabele 1 proizilaze sljedeća zapažanja: -cijena po kW snopa opada sa porastom snage, -cijena za ES je manja nego za LS posebno za visoke snage.

Investicioni troškovi izvora moraju se dodati troškovima mehaničkih dijelova i potrebnog alata za rad, što naravno zavisi od prirode primjene i tempa proizvodnje. Kod zavarivanja ES treba uzeti u obzir cijenu vakuum komore, koja zavisi od dimenzija radnog komada i može biti značajan dio inve sticije.

Potrebno je ocijeniti troškove mašinske obrade za pripremu radnog komada za zavarivanje.

Prednost zavarivanja ES i LS je u tome što je za mnoge dijelove deformisanje minimalno, pa nije potrebna završna mašinska obrda. Ovo predstavlja smanjenje vre mena proizvodnog ciklusa. Pot rošnju struje, gasa i vode također treba uzeti u obzir pri ocjeni troškova.

Cijena optike kao potrošnog materijala za laser velike snage ( 5kW) može da dostigne visok nivo, pa je također treba razmatrati. Troškovi oko snabdijevanja i održavanja opreme za ES i LS nisu znatno veći od onih vezanih za programiranje industrijske mašine (CNC sisteme). Procjena je da su troškovi održavanja 2-5% godišnje od cijene opreme zavisno do prirode primjene.

Analizirajući primjere specifičnih primjena, u cilju ekonomskog poređenja opreme za ES i LS zavarivanje dijelova male zapremine ( zupčanici, dijelovi transmisija i sl.) u automobilskoj industriji može se zaključiti sljedeće: -Snaga snopa od 2 kW osigurava proizvodnju 200 kom/h sa kr užnim uvarom od 2mm.

šavom 50 mm i

-Kod

većih snaga snopa, proizvodnja je proporcionalna snazi snopa, uz opasku da ne nastanu metalurški problemi zbog velikih brzina zavarivanja. -Raspoloživo vrijeme snopa je približno 75% za ES i 95% za LS.

14

Slika 9. Prikazuje

relativne investicione troškove za oba slučaja ES i LS iz čega se može zaključiti sljedeće: -LS ima prednost kad je dovoljna snga snopa manja od 2 kW. -Za snagu snopa veću od 5 kW ekonomičniji je ES. - Ukoliko je potreban snop snage 2-5 kW ond a su oba postupka podjednako ekonomčna, pa je izbor odgovarajućeg postupka zasnovan na ekonomskim pokazateljima .

Ako se ukupni troškovi posmatraju na većem broju uređaja i određenom vr emenskom periodu, dobijaju se rezultati prikazani na slici 10.

15

Između osamdesetih i devedesetih godina jedinica opreme za ES isto toliko i za LS

na tržište se godišnje isporučivalo do 2000 snage nekoliko kW. Poboljšanja koja mogu doprinijeti da se laseri više primjenjuju u industriji odnose se na proizvodnost, fleksibilnost i ekonomičnost. U tom slučaju treba uzeti u obzir: -Stabilnost i raspodjelu snage laserskog snopa (5% za LS za 8h i 1-2% za ES). -Da povećano korištenje CNC čini opremu fleksibilnom, pa se odgovarujućim softverom

mogu postići bolji radni uslovi i lakše održavanje. -Manji rizik od prekida napajanja električ nom strujom u procesu zavarivanja. -Lakše vođenje laserskog snopa.

Manju snagu lasera ( za sada ograničenu na 5 -10 kW) nego ES (100-200kW) -itd.

16

Može se reći da energetski snopovi velike gustine zauzimaju prvo mjesto u masovnoj proizvodnji i da će u budućnosti potisnuti veliki dio opreme za zavarivanje dijelova debljine do 5mm (u ovom slučaju LS će postepeno zauzeti mjesto ES). Sa porastom snage, pouzdanosti i padom cijene laserskih izvor a njihova će primjena znatno porasti. Snop energije velike gustine ima najveću primjenu u aeronautici i kosmičkoj tehnici, kako u proizvodnji mlaznih motora tako i u konstrukcijama letjelica i reparaturi. Također LS ima dobru perspektivu u fleksibilnim pr oizvodnim centrima. Roboti se na

licu mjesta opremaju laserskim izvorima, pa se snop prenosi talasovodima ili optičkim vlaknima što pruža mogućnost u industriji. Tamo gdje stepen deformacije poslije zavarivanja mora biti mali i gdje se traži potpuno zavari vanje i visoka pouzdanost , ovi postupci imaju veliku primjenu. Mada su ES i LS u nekim oblastima konkurentni ima dosta primjera primjene gdje se oni

dopunjuju. Investicije za ove postupke su velike, ali se mogu isplatiti povećanom produktivnošću. Laser integrisan sa robotom proširuje mogućnost upotrebe u mnogim proizvodnim granama ne samo za zavarivanje, već i za sječenje i površinsku termičku obradu.

Dakle laseri se najčešće primjenjuju za zavarivanje u elektrotehnici i elektronskoj industriji, proizvodnji automobila, mehanici, optici, aeronautici, avijaciji i sl.

17

LASERSKO SJEČENJE (REZANJE)

Suština laserskog rezanja je da se materijal u što kraćem vremenu ispari i odvede iz zone djelovanja. To se postiže većim snagama i kraćim vremenom djeovanja. Laserski snop pada na površinu obratka. U prvom trneutku jedan dio površine trenutno ispari, dok je podpovršinski sloj zagrijan do tačke topljenja. Čim je ispareni materijal napustio zonu djelovanja, laserski snop pada na sada već zagrijani dublji sloj mat erijala i izaziva njegovo isparavanje ili sagorjevanje čime nastaje proces u obratku. Pomjeranjem laserskog snopa po određenom pravcu ili konturi nastaće željeni rez. Kako je težnja da se ispareni ili istopljeni materijal što prije izvede iz zone djelovanj a, lasersko rezanje se izvodi sa koaksijalnom strujom gasa za produhavanje. Produhavanje gasom povećava brzinu rezanja čak za 40%.

Slika 12: Šema laserskog rezanja

Maksimalna produktivnost, naročito kod nepravilnih kontura, postiže se NC i CNC sist emima za pozicioniranje i upravljanje. U zavisnosti od veličine obratka mogu se pomjerati ili radni predmet ili laser. Postoje ograničenja u brzini sječenja bez obzira na to što nazivna snaga za dati zahvat dopušta i veće brzine. Ovo ograničenje brzine proističe iz željene širine i kvaliteta reza. Velike brzine rezanja u slučaju niže snage daju nepotpun rez. Kada je snaga velika, formiranje i odvođenje šljake je nekontrolisano, pa se dobija loš kvalitet obrađene površine. 18

Zbog visoke apsorpcije laserskog zračenja, većina nemetala može se uspješno rezati manjom snagom, a da su pri tome brzine obrade i debljine materijala veće. Metali imaju

veću reflektivnost i veću toplotnu provodnost, pa je za njihovu obradu potrebna veća snaga, a brzine rezanja i debljin e su manje. Međutim, i za visoko reflektujuće materijale postoji rješenje. Ono se ogleda u korištenju odgovarajućih prevalaka ( grafit ) ili oksidnih slojeva.

Slika 13: Gornja i donja granica brzine rezanja nidkougljeničnog čelika sa snagom  zračenja 1000W

Upoređujući lasersko rezanje sa ostalim tehnikama može se reći: -Lasersko rezanje može se primijeniti kod skoro svih materijala. -Mala

širina reza, visko kvalitet obrađene površine i mala zona uticaja toplote obezbjeđuju znatne uštede u materijalu. Nasuprot tome sješenje makazama i rezanje testerama ograničava se na manje debljine materijala. -Rezanje laserom je ograničeno na srednje debljine i metalne materijale. -Širina reza veća je nego kod gasnog rezanja. -Lasersko

rezanje ne ograničava se samo na ravno radne predmete. produktivnost moguća je i kod obrade trodimenzionalnog obratka -

Vrlo velika

-Osnovna prednost laseeskog rezanja je u mogućnosti realizacije proizvoljne konture.

19

PRIMJENA LASERSKOG REZANJA

Primjena laserskog rezanja u metalo- prerađivačkoj industriji je velika, ali najznačajnija

je u automobilskoj. Praktično svi dijelovi karoserije automobila se u vodećim fabrikama režu laserima: krila, haube, podloge instrument tabli, krovovi i sl. Osnovna prednost ogleda se u eliminisanju veoma složenih alata za presovanje i probijanje čiji je radni vijek, uz redovno održavanje, relativno mali. Sama proizvodnja LS je brža, jednostavnija i jeftinija.

Kod sječenja tekstila lasersko rezanje pruža mogućnost djelomične ili potpune automatizacije. Formiranje konture ostvaruje se računskim putem, potrebno je smao naznačiti model, veličinu i broj komada, a računar vodi računa o ekonomičnom krojenju, pravcu tkanja i rezanju i automatski rukovodi cijelim sistemom. Imamo primjer rezanja gume.

20

podloške različite debljine koriste se kod montaže raznih optičkih elemenata: sočiva, prozora, ogledalai sl. Proizvodi su rađeni za potrebe PO TELEOPTIK. Gumene

Materijal za obradu bio je tehnička guma standardnog kvaliteta za opđtu primjenu. Za obradu je korišten CO2 laser sa snagom od 80 W, dužinom impulsa od 0,1 -1000ms i penetracijom od 1-1000Hz, prečnik je 6mm.

Gumeni blok promjera 52x100 mm postavlja se u obrtnu glavu koja daje mogućnost promjene brzine od 100 do 800 mm/min. Fokusiranje se obavlja sočivom žižne daljine 38 mm. Pložaj žižne tačke u odnosu na napadnu površinu teoretski treba da se za operaciju rezanja nađe na 2/3 do ¾ debljine. Promejnama mlaznica položaj izaznog otvora podešen je na rastojanje h=6mm, a protok gasa za produhavanje je 12 l/min . Zaštitna atmosfera je argon.

Slika 15 : Šema operacije rezanja gume

Rad sam impulsima dužine 1ms, 100Hz, srednjom snagom 50 W i brzinom rezanja od 300-800 mm/min dovodi do djelomičnog rezanja, jer se formira šljaka koja prlja osnovni materijal i sprečava dublje prodiranje laserskog zračenja. Povećavanjem broja impulsa na 400-600 Hz sa snagom 30- 40 W otkalanjaju se neželjeni efekti i dobija se potpuno kvalitetno rezanje sa rezom širine 0,1 mm.

Dakle moguće je sječenje čeličnih limova, tvrdih i krtih  metalnih materijala, obostrano pocinkovanih ili plastificiranih limova, plastičnih masa, kartona, drveta, tekstila, stakla, koristi se i za fino bušenje u nesagorivim keramičkim pločama...

21

Neki od uređaja su prikazani na slikama:

22

23

24

LITERATURA

⦋1⦌ Milan Milanović; Primjena laserske tehnologije u zavarivanju i sječenju, Ljubljana, 2004. godine

⦋2⦌ Ilija Velić; Obrada materijala laserskim zračenjem, Monografija, Beograd, 2003. godine

⦋3⦌ Internet stranice

25

SADRŽAJ UVOD..........................................................................................................................................................1 ND-yag laser čvrstog stanja..............................................................................................................2 Lasersko zavarivanje...........................................................................................................................3 Tehnika zavarivanja snopom velike gustine energije...........................................................5 Primjena laserskog zavarivanja.....................................................................................................8 Lasersko rezanje................................................................................................................................18 Primjena laserskog rezanja...........................................................................................................20 Primjeri uređaja lasera....................................................................................................................22 Literatura...............................................................................................................................................25

26